NASA 的「超广角」太空望远镜上天了，5 年要扫描 10 亿个星系

北京时间 8 月 30 日 19 时 26 分，一枚猎鹰重型火箭从佛罗里达州肯尼迪航天中心 39A 发射台升空。

由它送上太空的，是 NASA 自韦布空间望远镜后最重要的新一代旗舰太空天文台——南希·格蕾丝·罗曼空间望远镜（Nancy Grace Roman Space Telescope）。

接下来三个月，它将飞向距离地球约 150 万公里的日地第二拉格朗日点（L2），与已经在这工作了四年多的韦布望远镜成为彼此遥望的「同事」。

和主镜达到 6.5 米、能看见更暗、更远天体的韦布望远镜不同，罗曼望远镜的主镜口径和灵敏度实际上更接近老前辈哈勃望远镜。

只不过，它以接近哈勃的灵敏度，将视野扩展到了哈勃的百倍之广。

发射前，罗曼项目高级科学家 Julie McEnery 已经用几个数字概括了它的宏愿：

在任务最初五年里，它预计将发现超过 10 万颗系外行星，观察数亿颗恒星和数十亿个星系。

如果说从前的空间望远镜是「从钥匙孔里看宇宙」，那罗曼要做的，就是依靠大视野做一场大规模「星口普查」。

一次看见百倍天空

罗曼的主镜直径为 2.4 米，和 1990 年升空的哈勃几乎完全相同，两台望远镜的红外灵敏度也比较接近。

但在主镜后面，罗曼装上了只属于这个时代的「超大底」。

它的主相机名为「宽视场仪器」（WFI），传感器部分把 18 块 H4RG-10 红外探测器排成了 6×3 的弧形阵列，每块探测器拥有约 1680 万个像素、面积接近普通全画幅传感器的两倍。

拼在一起，有效感光面积相当于并排放下约 35 块全画幅传感器，总计超过 3 亿个物理像素。

「大底」之外，还有「超广角镜头」。

罗曼的光学系统采用三块曲面镜组成的「三镜消像散」结构，把有效焦距压缩到哈勃的大约三分之一，同时校正大视场边缘容易出现的像差，由此创造出一片宽广得多、但边缘仍然清晰的像场。

两套系统配合的结果是，罗曼的有效视野可以达到哈勃的 100 倍。

同样面对一片深空，哈勃需要分别对焦每个区域，再将拍摄结果像拼图一样拼接起来；而罗曼可以一镜直出、一次成像，将广阔空间尽收眼底。

用哈勃那张著名的「创生之柱」照片来对比，就能直观地看出两台望远镜的视场差异（中间小方块为哈勃视野）：

超大视野决定了，罗曼能以最高相当于哈勃约 1000 倍的速度巡天（扫描天空）。

NASA 预计，罗曼望远镜最初五年拍下的天空面积，能达到哈勃前三十年累计总和的 50 倍。

除了巡天的「主业」，罗曼还捎上了一台日冕仪。

它会利用遮罩、可变形反射镜和传感器压低恒星的强光，尝试直接拍摄到被恒星光芒掩蔽的暗淡行星。

这仍是一项技术验证，却可能为未来直接寻找类地行星的望远镜铺路。

为宇宙描画地图

罗曼望远镜得名于 NASA 第一位首席天文学家。

上世纪六七十年代，正是南希·格蕾丝·罗曼推动 NASA 建立太空天文观测计划、争取经费、组织科学家，也为后来改变人类宇宙观的哈勃望远镜打下了基础。

2020 年，NASA 以她的名字命名了这台筹备多年的新望远镜。

半个世纪前，她说服人们把望远镜送到大气之外；半个世纪后，一台空间望远镜带着她的名字升空。

这是独属于太空时代的浪漫。

一如名字的传承，哈勃、韦布和罗曼几代空间望远镜之间也存在一种传承关系。

但工程师没有让后来者完全替代先行者，而是在功能上做了微妙的区分：

哈勃可以从紫外线一路看到近红外波段；韦布拥有硕大无朋的主镜，能看见更暗、更远、更古老的天体；罗曼则舍弃了紫外和中红外波段，将资源置换为巨大视场和巡天速度。

在实际运行中，几台望远镜原则上可以分工合作——

罗曼先巡视大片天空，发现罕见星系、爆发中的恒星和此前未知的行星；随后，哈勃和韦布再把镜头对准其中最值得追踪的目标，辨认它们的结构、成分与来历。

反过来说，罗曼也能把哈勃、韦布看到的一小片深空，放回到更大的宇宙环境中观察。

根据罗曼望远镜的巡天计划，它将会朝着银河系尘埃较少的方向观测超过 10 亿个星系，但真正的重点是暗物质——

暗物质本身不会发光也无法直接观察，但它的引力会使得遥远星系的图像产生极其细微的扭曲。

罗曼望远镜可以从数亿个星系的「变形」中，重建出暗物质的宇宙中的分布，并推测出暗能量如何影响宇宙。

另一项任务，则是长时间盯着银河系中心最拥挤的区域反复拍摄。

当两颗恒星前后排成一线时，前景恒星的引力会把后方恒星的光扭曲，而如果前景恒星旁边还有行星，行星引力就会在光变曲线中留下一道短促的异常痕迹。

这种方法，让罗曼有机会找到质量小于火星的小型行星，甚至是那些没有围绕任何恒星运行的「流浪行星」。

这是一场面向天体的「普查」，也让我们有机会统计银河系里各种行星如何分布，了解类地行星和太阳系这样的结构是否常见、恒星之间又漂浮着多少失去了「太阳」的游荡行星。

更大众的天文学

大视野首先带来更高效率，同时也改变了天文学发现的方式。

哈勃和韦布的大部分观测从一个明确问题开始：科学家先挑选目标，再申请宝贵的望远镜时间。

但罗曼的巡天则会先把大片天空忠实记录下来，让来自不同领域的研究者在同一批数据中寻找答案。

罗曼每天预计传回约 1.4TB 数据，是迄今 NASA 天体物理任务中单位时间传输最多数据的设备。

更值得一提的是，这些资料经过处理后将立即公开，不设专有期。

也就是说，全球研究者都有机会参与筛选潜藏其中的特殊信号。

所以，它最重要的发现很可能根本不在一开始的任务清单上。

这就是大视野和大数据量的魅力。

可以肯定，罗曼望远镜一定会改变人类对宇宙的了解。

但可能连 NASA 的科学家也不会知道，真正的发现藏在何处。

如果接下来的航程和校准一切顺利，NASA 预计在 2027 年初，就会公布罗曼的首批图像。

随着科学观测展开，各级观测数据也会陆续进入米库尔斯基太空望远镜档案库（MAST），。

我们曾无数次仰望太空，而这一次，人类终于有了一双足够宽广的眼睛。

量子信息+熵，能解释宇宙的演化吗

热力学第二定律，也许是物理里最根本的几条原理之一。

它说，一个系统的熵只会随时间增加，不会减少。

这也是唯一一条能指明"时间箭头"朝哪走的物理定律。

熵，说白了就是无序的程度：熵越低，结构越有序；熵越高，越散乱。

糖从浓处向淡处扩散、气体膨胀、咖啡放凉，背后都是熵在增加。

人们相信，宇宙的演化也遵循这条定律。

宇宙早年处于低熵状态，一路演化到高熵。

可就在这个过程中，宇宙造出了一些极其复杂的结构——星系就是代表。

星系的熵很低，却是在一个高熵的环境里形成的。

这看起来像是在违反第二定律。

这个存在已久的矛盾，正是物理学家金妮斯特拉·比安科尼想解决的难题。

引力、熵与量子信息的交织，是比安科尼理论的视觉主题（图片来源：Physics World） 在爱因斯坦的广义相对论里，有个叫"度规"的数学对象，描述时空是怎么弯曲的；物质沿着这条弯曲走，就表现成了引力。

而在量子力学里，"算符"是对量子态做变换的数学工具。

比安科尼的关键一步，就是把这个"度规"当成量子算符来用，用量子化的方式描述时空的几何。

这样一来，会冒出两个"度规"：一个是"真实"的时空度规，一个是由物质和能量诱导出来的度规。

两者之间"差多少"，用量子信息论里的一个量来度量，叫量子相对熵。

正是这两个几何之间的量子相对熵，决定了时空怎么演化——换句话说，它给出的运动方程，就是引力。

在低曲率极限下，这套方程能精确还原爱因斯坦的广义相对论。

可一旦超出这个极限，方程就得被一个叫"G场"的对象修正。

G场生出一个暗能量项，而且是动态的。

暗能量被认为是直接推动宇宙膨胀的东西；在标准广义相对论里，它由静态的宇宙学常数驱动。

现在冒出一个动态的暗能量项，就有了被实验检验的机会。

比安科尼又把这套理论用到了弗里德曼-罗伯逊-沃克（FRW）宇宙模型上。

这是广义相对论对宇宙行为的一级近似，假设宇宙各向同性、处处均匀、且在膨胀。

膨胀由宇宙的主导成分驱动——暗物质、普通物质，或辐射。

宇宙膨胀时，体积变大，总熵也跟着变大。

但正因为体积涨得更快，单位体积里的熵——也就是熵密度——反而随时间下降。

总熵在涨，局部熵密度却在降，这就给了星系、甚至生命这类低熵结构一个在膨胀宇宙里被造出来的机制。

那这算不算违反第二定律？比安科尼用非空的 FRW 宇宙算了一遍总熵：要把熵密度在整个时空区域上积分，而因为体积随时间变大，总熵成了时间的函数——膨胀的速度超过了熵密度衰减的速度。

所以对辐射主导和物质主导的宇宙，总熵依然随时间增加，第二定律照样成立，尽管局部熵密度在下降。

比安科尼强调，GfE 理论还很年轻，需要实验来验证。

但这项工作揭示了它内在的热力学本质，为经典引力与量子引力都打开了新路——把引力用"量子信息"和"熵"来表述，也许正是通向"量子化引力"这个百年难题的另一条路径。

引力，也许并不是什么神秘的基本力，而只是信息与熵的必然结果。

若真如此，宇宙为什么要演化、为什么能长出星系和生命，答案也许就藏在这条最普通的第二定律里。

来源：S. Jones, "Could quantum information theory explain universe evolution?" Physics World, 14 Sep 2026. 报道所引研究：G. Bianconi, Physical Review D.

追踪13.4万亿个暗物质！百亿亿次超算用4天完成这场模拟

科技日报记者 刘霞 美国能源部阿贡国家实验室日前发布消息称，该机构科学家借助“极光”百亿亿次超级计算机，完成了迄今规模最大的两次宇宙学模拟。

每次模拟都追踪了13.4万亿个暗物质粒子在286亿光年宽度区域内的演化过程。

这一成果有助于科学家研究宇宙暴胀，并为分析大型巡天观测数据提供重要支撑。

左图为百亿亿次级模拟生成的全天空光锥图；右图外圈显示宇宙微波背景辐射，扇区分别展示视线速度（红/蓝）、物质密度（灰）和引力势（绿/蓝）。

图片来源： 美国阿贡国家实验室 宇宙暴胀理论认为，极早期宇宙曾经历一段短暂而剧烈的快速膨胀。

这一过程将微观量子涨落拉伸到宇宙尺度，留下微小的密度差异；随后，引力把这些差异不断放大，最终形成我们今天看到的星系、星系团和宇宙大尺度结构。

然而，暴胀背后的具体物理机制仍未完全确定。

通过研究物质在宇宙中的分布，有望找到更多线索，探索宇宙最早期的秘密。

暗物质无法被望远镜直接看见，却凭借引力主导星系形成，并塑造更大尺度的宇宙结构。

在模拟中，暗物质粒子被用作暗物质密度和速度分布的“示踪剂”，团队由此得以追踪宇宙结构跨越数十亿年的演化轨迹。

标准宇宙暴胀模型预测，早期宇宙的密度涨落服从高斯分布，也就是最简单的一类随机模式。

科学家正努力寻找其中可能存在的微小偏差，即“原始非高斯性”。

一旦发现可测量的偏差，就可能暗示暴胀时期还存在其他场、相互作用或动力学过程，从而帮助区分关于宇宙最初时刻的不同理论。

然而，这类信号极其微弱，还可能被“宇宙方差”掩盖——由于观测只能采样宇宙的有限体积，统计不确定性难以完全消除。

因此，探测此类信号需要覆盖最大宇宙尺度的超大规模模拟。

而如此规模的模拟对算力要求极高。

团队在阿贡国家实验室的“极光”超级计算机上完成了计算。

模拟及大部分数据分析约4天完成，目标正是揭示宇宙暴胀的物理本质。

这些模拟数据将助力分析多项大型巡天项目，包括美国能源部支持的暗能量光谱仪（DESI）和NASA的SPHEREx任务，两者目前均处于数据采集阶段。

模拟与前沿观测相互印证，将共同描绘出更为精细的宇宙图景，推动人类对宇宙起源与演化的探索。

来源：科技日报